蘇志善 李華聰 李文霞 高 帥 王 蓉
(1.西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院 陜西西安 710129;2.中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司 陜西西安 710077)
燃油增壓泵是航空發(fā)動機(jī)的燃油增壓附件,在航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)中起到給整個燃油系統(tǒng)增壓的重要作用[1]。機(jī)械密封作為泵類產(chǎn)品的常用密封裝置[2],也是最容易出現(xiàn)故障的裝置之一,故障模式通常為機(jī)械密封失效導(dǎo)致漏油[3-8]。某型燃油增壓泵在使用過程中多次發(fā)生機(jī)械密封組件石墨環(huán)斷裂失效,導(dǎo)致滑油系統(tǒng)白色油氣混合狀氣體從漏油管接頭泄漏,呈現(xiàn)出燃油增壓泵“冒白煙”故障。
該燃油增壓泵是某型發(fā)動機(jī)低壓燃油系統(tǒng)配套的Ⅲ類定型附件,其作用是為發(fā)動機(jī)主燃油系統(tǒng)、加力燃油系統(tǒng)和噴口控制系統(tǒng)提供一定壓力的燃油,并接收各系統(tǒng)的低壓回油。該泵由誘導(dǎo)輪、離心葉輪、主軸、花鍵軸、泵蓋、渦殼、動環(huán)、機(jī)械密封組件、前后支承軸承等主要零組件組成。機(jī)械密封處的結(jié)構(gòu)如圖1所示,左端機(jī)械密封浸泡在燃油中實(shí)現(xiàn)冷卻潤滑,右端機(jī)械密封通過一條小油路的滑油噴射到軸承上反濺到機(jī)械密封上進(jìn)行冷卻潤滑。
圖1 機(jī)械密封及滑油潤滑結(jié)構(gòu)原理
本文作者分析了機(jī)械密封組件石墨環(huán)斷裂以及“冒白煙”故障的直接原因,并提出了排除故障的方法。
對故障燃油增壓泵進(jìn)行分解,均發(fā)現(xiàn)石墨環(huán)斷裂,相配合的動環(huán)和靜環(huán)座有高溫變色情況,具體見圖2。
圖2 動環(huán)和石墨環(huán)故障形貌
鑒于所有燃油增壓泵的故障均為機(jī)械密封組件中的石墨環(huán)斷裂引起的,對引起石墨環(huán)斷裂的原因進(jìn)行分析。
通過故障件斷裂形貌微觀檢查可知,該故障的斷裂形式為拉應(yīng)力過載斷裂。由機(jī)械密封組件的結(jié)構(gòu)可知,和石墨環(huán)接觸的有動環(huán)、膠圈、波形彈簧片和靜環(huán)座等零件。動環(huán)和波形彈簧片的力方向為軸向,不可能導(dǎo)致拉應(yīng)力的過載斷裂,所以造成石墨環(huán)斷裂的最大可能為膠圈和靜環(huán)座的徑向力導(dǎo)致。常溫情況下,膠圈給石墨環(huán)施加的徑向力很小,不可能導(dǎo)致石墨環(huán)斷裂。常溫情況下,石墨環(huán)和靜環(huán)座為間隙 (0.02~0.062 mm) 配合,所以不可能產(chǎn)生徑向力導(dǎo)致石墨環(huán)斷裂。所以,文中重點(diǎn)分析高溫情況下膠圈和靜環(huán)座是否會因為熱膨脹對石墨環(huán)施加了較大的徑向力,導(dǎo)致石墨環(huán)斷裂。
由于高溫情況下,膠圈會有一定的膨脹[9-10],會對石墨環(huán)施加一定的徑向力,但該徑向力計算困難,只能通過實(shí)際試驗驗證。經(jīng)過實(shí)際驗證,當(dāng)溫度為400、500 ℃時均沒有發(fā)生石墨環(huán)斷裂。說明高溫情況下膠圈的膨脹力不是石墨環(huán)斷裂的主要原因。
在現(xiàn)有機(jī)械密封組件的裝配情況下,將組件放在高溫箱中,依次在80、100、120、150、180、200、250、300、350、400、450 ℃溫度下保溫3 min,觀察石墨環(huán)是否斷裂。
試驗結(jié)果表明:隨著溫度的升高,當(dāng)溫度由400 ℃升至450 ℃過程中石墨環(huán)斷裂,斷裂時的溫度為430 ℃,斷裂形貌和故障件一致,為拉應(yīng)力過載斷裂。因此,高溫情況下靜環(huán)座的熱膨脹力是石墨環(huán)斷裂的主要原因。
測量結(jié)果顯示,常溫下石墨環(huán)和靜環(huán)座間隙尺寸滿足設(shè)計要求??紤]到熱膨脹的影響[11],對間隙值隨溫度的變化進(jìn)行了理論計算。如表1所示,隨著溫度的升高,石墨環(huán)和靜環(huán)座由于熱膨脹的影響,兩者之間由初始的間隙配合逐漸變?yōu)檫^盈配合(石墨環(huán)線膨脹系數(shù)按實(shí)測數(shù)據(jù)為5.7×10-6~6.5×10-6mm/℃,靜環(huán)座材料膨脹系數(shù)實(shí)測數(shù)據(jù)為16×10-6~19.7×10-6mm/℃)。
由表1可知,當(dāng)溫度達(dá)到450 ℃時,石墨環(huán)和靜環(huán)座的過盈量為0.087 88~0.130 12 mm,說明靜環(huán)座會對石墨環(huán)施加很大的熱膨脹力。通過高溫模擬試驗可知,該熱膨脹力就是石墨環(huán)斷裂的直接原因。
根據(jù)故障形貌和石墨環(huán)斷裂試驗及分析可知,該石墨環(huán)斷裂的直接原因是受到靜環(huán)座的熱膨脹力所致。通過結(jié)構(gòu)和原理分析可知,熱源的最大可能為滑油系統(tǒng)滑油流量供給不足,造成機(jī)械密封干摩擦所致?,F(xiàn)對滑油系統(tǒng)供油情況進(jìn)行分析。
表1 石墨環(huán)與靜環(huán)座間隙計算
某型燃油增壓泵的供油,是來自發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)的潤滑油經(jīng)過一個φ6.7 mm和一個φ2.4 mm的節(jié)流嘴后供給的。具體結(jié)構(gòu)簡圖見圖3,其中φ2.4 mm節(jié)流嘴處的詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖4。
圖3 滑油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
圖4 三通管接頭結(jié)構(gòu)
鑒于滑油三通管接頭到增壓泵的油路離節(jié)流嘴的距離較近,可能會對滑油流量有影響,因此對該處結(jié)構(gòu)的節(jié)流嘴擰入深度為0和7.8 mm時分別進(jìn)行了流體仿真,結(jié)果見圖5。
通過仿真可知:隨著節(jié)流嘴擰入深度的加大,進(jìn)油三通座向增壓泵供油支路供油的速度將明顯減少,流量下降。這是由于在節(jié)流嘴出口處會存在較強(qiáng)的引射作用,對流場速度分布產(chǎn)生明顯影響,且節(jié)流嘴擰入深度越大該影響越明顯,使得燃油增壓泵入口流量越小,甚至出現(xiàn)倒吸的作用。
圖5 節(jié)流嘴不同擰入深度的三通中心平面速度分布
鑒于滑油系統(tǒng)三通管接頭的節(jié)流嘴擰入深度可能和供給燃油增壓泵的滑油流量有直接關(guān)系,對三通管接頭進(jìn)行節(jié)流嘴擰入深度和滑油流量關(guān)系的試驗。試驗結(jié)果見圖6。可知,當(dāng)擰入深度大于7 mm時,滑油流量為0;隨著擰入深度的減小,滑油流量有較大的提高,當(dāng)節(jié)流嘴擰入深度為0時流量為0.12 L/min。這和仿真結(jié)果較為一致,驗證了節(jié)流嘴擰入深度大,節(jié)流嘴出口處會存在較強(qiáng)的引射作用,對流場速度分布產(chǎn)生明顯影響,最終導(dǎo)致去往燃油增壓泵的滑油流量為0。試驗結(jié)果表明,當(dāng)節(jié)流嘴擰入深度大于7 mm時,供給燃油增壓泵的滑油為0,燃油增壓泵右端機(jī)械密封組件處于干摩擦狀態(tài)。
圖6 節(jié)流嘴深度和滑油流量關(guān)系
為進(jìn)一步驗證滑油斷油對機(jī)械密封組件的影響,進(jìn)行了機(jī)械密封組件干摩擦試驗和燃油增壓泵斷滑油運(yùn)轉(zhuǎn)試驗。通過2個試驗,驗證故障是否再現(xiàn)。
將機(jī)械密封組件固定在加工中心固定平臺上,動環(huán)固定在加工中心旋轉(zhuǎn)端,調(diào)整石墨環(huán)與靜環(huán)座的距離,使距離滿足設(shè)計工作狀態(tài)規(guī)定值(石墨環(huán)和靜環(huán)座間隙為0.035 mm,如圖7所示)。同時逐步增加轉(zhuǎn)速,每5 min用紅外溫度傳感器測量一次石墨環(huán)表面溫度,并觀察石墨環(huán)是否斷裂。
圖7 石墨環(huán)組件試驗結(jié)構(gòu)
試驗采用的石墨環(huán)為原材料批次為12-3批的試驗件1。試驗結(jié)果表明,當(dāng)轉(zhuǎn)速從100 r/min逐漸增加到8 000 r/min過程中,石墨環(huán)工作正常,但試驗件1在8 000 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)2 min時(累計運(yùn)行37 min),聽見一聲炸裂聲。停車檢查發(fā)現(xiàn)石墨環(huán)外緣有崩塊,徑向有一條裂縫,動環(huán)因高溫變?yōu)辄S色。試驗件的形貌和斷裂方式和故障件相似,故障再現(xiàn)。
模擬在發(fā)動機(jī)上的工作狀態(tài),對原材料批次為12-3批的試驗件2和原材料批次為12-1批的試驗件3,進(jìn)行斷滑油運(yùn)轉(zhuǎn)試驗。試驗結(jié)果表明:試驗件2斷滑油30 min后,石墨環(huán)出現(xiàn)斷裂,石墨環(huán)斷裂形貌與故障件相似;試驗件3斷滑油100 min后,石墨環(huán)出現(xiàn)斷裂,石墨環(huán)斷裂形貌與故障件相似。
將上述試驗結(jié)果統(tǒng)計在表2中??芍涸诟赡Σ梁突蛿嘤驮囼炃闆r下,石墨環(huán)均出現(xiàn)斷裂故障;滑油斷油試驗情況下,12-3批和12-1批的石墨環(huán)的斷裂時間不同,可能與間隙的大小及石墨材料批次的差異有關(guān)。
表2 干摩擦斷油試驗結(jié)果
通過以上故障排查、原因分析和試驗驗證,發(fā)動機(jī)供給燃油增壓泵的滑油流量過小甚至中斷是 “冒白煙”故障的根本原因。同時通過仿真可知,節(jié)流嘴擰入深度大,節(jié)流嘴出口處會存在較強(qiáng)的引射作用,對流場速度分布產(chǎn)生明顯影響,最終導(dǎo)致去往增壓泵的滑油流量為0。所以提高滑油流量的最簡單措施就是將節(jié)流嘴從油路的左邊移到右邊,如圖8所示。通過試驗驗證,節(jié)流嘴從油路的左邊移到右邊后,供給燃油增壓泵的滑油流量能夠達(dá)到0.3 L/min,比改進(jìn)前大大提高。同時通過發(fā)動機(jī)長試及改進(jìn)后的大批量使用表明,采用改進(jìn)措施后再未出現(xiàn)過“冒白煙”故障,機(jī)械密封組件的動環(huán)及石墨環(huán)也無高溫變色及斷裂現(xiàn)象,故障得到徹底解決。
圖8 改進(jìn)后三通管接頭結(jié)構(gòu)
(1)某型燃油增壓泵“冒白煙”故障的直接原因是泵內(nèi)機(jī)械密封組件中的石墨環(huán)斷裂,發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)內(nèi)部油氣泄漏,顯現(xiàn)出“冒白煙”故障。
(2)石墨環(huán)斷裂的原因是異常高溫條件下,石墨環(huán)受到靜環(huán)座徑向熱膨脹力所致。
(3)機(jī)械密封組件異常高溫原因是發(fā)動機(jī)供給燃油增壓泵的滑油流量過小甚至中斷,導(dǎo)致機(jī)械密封組件在高轉(zhuǎn)速、干摩擦情況下產(chǎn)生大量的熱量,引起異常高溫。
(4)發(fā)動機(jī)供給燃油增壓泵的滑油流量過小的原因是節(jié)流嘴擰入過深造成的引射作用,使得供給增壓泵的滑油量大大減少甚至出現(xiàn)中斷。
(5)針對滑油供給問題,提出了改變發(fā)附機(jī)匣節(jié)流嘴位置的措施,保證供向燃油增壓泵的滑油流量達(dá)到0.3 L /min。經(jīng)過了整機(jī)試車驗證及大批量使用驗證,可以有效解決“冒白煙”故障。